Question

Questão 6.
Na combustão subterrânea do carvão mineral, várias reações em fase gasosa ocorrem, incluindo:
CO + 1/2 O2 ---> CO2
H2 + 1/2 O2 ---> H2O
CH4 + 3/2 O2 ---> CO + 2 H2O

Onde CO, H2 e CH4 são originários da pirólise do carvão.
Sabendo que um gás com composição CO: 13,54%, CO2: 15,22%, H2: 15,01%, CH4: 3,20% e o restante em N2 é queimado com 40% de excesso de ar, pede-se:
a) Quanto de ar é necessário para 100 mols de gás?
b) Qual será a composição do gás de chaminé em base úmida?

Answer 1

Temos as seguintes reações:
CO + 1/2 O2  ---> CO2
H2 + 1/2 O2  ---> H2O
CH4 + 3/2 O2  ---> CO + 2 H2O

E as seguintes composições:
CO: 13,54%, CO2: 15,22%, H2: 15,01%, CH4: 3,20%
A soma das porcentagens é: 46,97% então a porcentagem de N2 será:
N2=100-46,97=53,03%

Como é queimado 100mols de gás, a quantidade de mols de cada gás será de mesmo valor da percentagem.
n(CO)=13,54mol
n(CO2)=15,22mol
n(H2)=15,01mol
n(CH4)=3,2mol

Calculamos a quantidade de oxigênio para cada um. Começamos pelo CH4 pois ele gera CO que também queimará.
Para o CH4:
1mol precisa de 3/2 mol de O2, ou seja, tres meios:
n(O2)=3/2 n(CH4)=3/2 . 3,2= 4,8mol de O2
E é gerado mesma quantidade de mols de CO e o dobro de H2O.
n(CO)=n(CH4)=3,2mol
n(H2O)=2.n(CH4)=2.3,2=6,4mol

Para o CO:
1mol precisa de 0,5mol de O2, ou seja, de metade:
O número de mols de CO será o inicial mais o formado na combustão de CH4:
n(O2)=n(CO)/2=(13,54+3,2)/2=8,37mol  (e não foram água)
A quantidade de CO2 gerada será igual ao de CO queimado:
n(CO2)=n(CO)=13,54+3,2=16,74mol

Para o H2:
1mol precisa de 1/2 mol de O2, ou seja, de metade:
n(O2)=n(H2)/2=15,01/2=7,505mol
E forma água em quantidade igual a de H2:
n(H2O)=n(H2)=15,01mol

Somamos os mols de O2 necessários:
n(O2) (total)=4,8 + 8,37 + 7,505 = 20,675mols de O2
Como é queimado com 40% de excesso de ar, temos:
n(O2) = 1,4. 20,675 = 28,945mol de oxigênio.
O ar (atmosférico) é composto de 79% N2 e 21% O2, então:
21% ----------------- 28,945mol
100% ---------------- X
X=100.28,945/21=137,83 mols de ar ( o nitrogênio já presente na mistura não entra no calculo por consideramos que está sendo injetado ar da atmosfera- que possui a composição indicada)

b) Somamos a quantidade de mols total:
n(CO)=0  queima total
n(H2)=0  queima total
n(CH4)=0 queima total
n(CO2) = 15,22 + 16,74=31,96mol
n(H2O)=15,01+6,4=21,41mol
n(N2)= (somando com o do ar junto)= 53,03+(137,83-28,945)=161,915mol
n(O2)= (oxigênio em excesso)=28,945-20,675=8,27mol

Somando tudo:
n(total)=31,96+21,41+161,915+8,27=223,555mols

Calculamos a composição úmida (com a água incluída):
%CO2=100.31,96/223,555=14,30%
%H2O=100.21,41/223,555=9,58%
%O2=100.8,27/223,555=3,70%
%N2=100.161,915/223,555=72,42%

Espero ter ajudado =)